操作系统 [第一章]基本概念

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笔记内容来源与考研书籍和自己写过的一些简单项目结合
如若有疑问或者想询问可以+Q1403145273

基本概念

处理机^{（就是计算机）},处理机资源^{（分派CPU时间片,这里大部分指的就是CPU）}

特征 :: 并发^{（宏观上同时发生,微观上是交替发生）},共享,虚拟,异步

• 共享方式 :: 互斥共享,同时访问
• 并发 和 共享 是最基本的特征,互为存在条件
• 并行^（就是同时发生,并行数 = CPU核心数）^
• 操作系统和程序并发是一起诞生的
• 虚拟技术 :: 空分复用技术(虚拟存储器),时分复用技术(虚拟处理器)

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操作系统的目标和功能

• 作为系统资源管理者 {功能^{（处理机管理,存储器管理,设备管理,文件管理）},目标^{（为多道程序提供良好的运行环境）}}

• 为上层提供简单易用的服务

  • 功能

    • 命令接口

      联机命令接口^{（分时操作系统和实时操作系统接口）}

      批处理命令接口^{（批处理系统）}

    • 程序接口^{（操作系统不提供直接管理硬件设备的指令,只能间接）} :: 操作系统为应用程序使用内核功能所提供的接口

  • 目标^{（为用户提供方便,快捷的操作计算机）}

• 对计算机资源的扩充

发展历程

手工操作阶段(无操作系统)

批处理阶段

• 单道批处理系统^{（解决人机速度矛盾）}

  特征^{（自动性,顺序性,单道性）}

  内存中仅能有一道程序运行,CPU大量时间在空闲等待

  引入脱机输入/输出技术,由监督程序控制

• 多道批处理系统^{（允许多个程序进入内存并允许CPU交替执行）}

  特征^{（多道,宏观并行,微观串行）}

  资源利用率高,吞吐量大

  无人机交互,进程响应时间较长

  多道程序失去了 封闭性 和 顺序性

• 非抢占式调度方式

分时操作系统^{（将CPU的运行时间分片）}

特点^{（同时性,交互性,独立性,及时性）}

抢占式调度方式

实时操作系统

优先响应紧急任务,某些紧急任务不需要时间片排队

特点^{（及时性,可靠性）},抢占式调度方式

• 硬实时系统^{（绝对严格）}
• 软实时系统^{（能接受偶尔违反时间规定）}

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• 作业^（程序 或 使用具体物理设备的任务）^ 由用户提交的
• 进程 由系统自动生成

运行环境

CPU执行程序的性质^{（内核程序,应用程序）}

• 特权指令^{（可能会影响到其他程序的指令,不允许用户直接使用）}

• 非特权指令^{（不能直接访问软硬件资源）}

• 内核 :: 操作系统最重要最核心的部分,最接近硬件的部分,有多个内核程序组成

  • 时钟管理 :: 实现计时功能

  • 中断机制 :: 负责实现中断机制,只有一小部分保护现场的属于内核

  • 原语^{（位于系统最底层,具有原子性,执行时间短且频繁）} 使用 关中断指令 和 开中断指令 这两个特权指令实现原子性

  • 系统控制的数据结构及操作

    • 进程管理

      进程切换属于系统调用,所以只能在内核发生

    • 存储器管理

      寄存器也属于存储器,对寄存器的操作(清零)不一定在核心态运行

    • 设备管理

CPU运行模式

• 用户态^{（表示此时运行的是应用程序）}可以执行非特权指令

  当执行特权指令时会引发中断信号,CPU监测到中断信号后立即强行切换为核心态,执行中断程序(内核程序)

• 核心态^{（表示此时运行的是内核程序）}可以执行特权指令

  程序状态寄存器内有一个二进制位^{（0表示用户态,1表示内核态(也有可能相反)）}

内核态和用户态的切换

• 内核 -> 用户 :: 执行特权指令(修改PSW),让出CPU使用权
• 用户 -> 内核 :: 由中断引发,硬件自动完成转换状态过程,系统强行夺取使用权

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• 异常和中断机制

  访管指令

  注意中断的发生和执行,中断程序执行一定在内核态,但是发生不一定

  OS要保存的是通用寄存器,因为中断隐指令已经保存了断点

  除了中断隐指令,中断处理过程中其他所有的信息保存都属于操作系统完成的

• 系统调用

  功能类型 :: 设备管理,文件管理,进程管理,进程通信,内存管理

  用户执行陷入程序发起系统调用(执行陷入指令就会让CPU从用户态向内核态转换)(执行中断周期)
  也就是会进入中断,执行系统调用越多,中断的次数越多,相对性能就会降低

内核结构

• 宏内核 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核,运行在核心态

  高性能

  内核代码庞大,结构混乱,难以维护^{（注释内容）}

  目前主流的结构,win的结构是混合型^{（逻辑上属于微内核,最后编译则是全部写入内核）}

• 微内核 只把最基本的功能保留

  内核结构清晰,方便维护

  频繁切换状态,性能低

系统引导

虚拟机